机电一体化专业课程设计项目说明指导书.doc

机电工程学院课程设计（专业方向设计）阐明书（ / 年第一学期）课程名称 ： 机电一体化课程设计 题 目 ： 工业机械手设计 专业班级 ： 学生姓名 ： 学 号： 指引教师 ： 设计周数 ： 三 周 设计成绩 ： 12月31日目录第一章 工业机械手综述11.1工业机械手发展概况11.2工业机械手应用11.3工业机械手构成及原理1第二章 伸缩臂设计方案42.1 设计方案论证以及拟定42.1.1 设计参数及规定42.1.2 设计方案比较论证42.2 机械手伸缩臂总体构造设计方案42.3 执行装置设计方案52.3.1 滚珠丝杠选取52.3.2减速齿轮关于计算102.3.3电动机选取15第三章 PLC控制系统设计183.1 PLC构成及工作原理183.2 选取PLC183.3 PLC外部I/O分派图193.4 软件设计203.5 硬件设计28总 结29参 考 文 献30第一章 工业机械手综述1.1工业机械手发展概况工业机械手在先进制造技术领域中扮演着极其重要角色，是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备，是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动多功能机器，它有各种自由度，可用来搬运物体以完毕在各个不同环境中工作。工业机械手即工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体当代化制造业重要自动化装备。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。1.2工业机械手应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到一种控制对象。机械手可以完毕许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛广泛。在当代工业中，生产过程中自动化已成为突出主题。各行各业自动化水平越来越高，当代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完毕工人难以完毕或者危险工作。当前在国内机械手惯用于完毕工作有：注塑工业中从模具中迅速抓取制品并将制品传送到下一种生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。广泛采用工业机械手，不但可提高产品质量与产量，并且对保障人身安全，改进劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及减少生产成本，有着十分重要意义。同计算机、网络技术同样，工业机械手广泛应用正在日益改进着人类生产和生活方式。1.3工业机械手构成及原理工业机械手普通应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测系统和人工智能系统等构成。机械系统是完毕抓取工件实现所需运动执行机构；驱动系统作用是向执行机构提供动力，执行元件驱动源不同，驱动系统传动方式有液动式、气动式、电动式和机械式四种，采用液压机构驱动机械手,构造简朴、尺寸紧凑、重量轻、控制以便；控制系统是工业机械手指挥系统，它控制工业机器人按规定程序运动；检测传感系统重要检测工业机械手执行系统运动位置、状态，并反馈给控制系统进而及时比较调节。本次设计工业机械手属于圆柱坐标式液压驱动机械手，具备手臂升降、伸缩、回转等三个自由度。因而相应地有手臂伸缩机构、手臂升降机构、手臂回转机构等构成。每一某些均用液压缸驱动与控制。下图为本次设计机械手总平面图：图1-1机械手总平面图1底座、2立柱、3液压缸、4伸缩臂、5升降臂、6机械手机械手工作原理：机械手重要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所构成。在PLC程序控制条件下，采用液压传动方式，来实现执行机构相应部位发生规定规定，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间动作。同步按其控制系统信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构实际位置反馈给控制系统，并与设定位置进行比较，然后通过控制系统进行调节，从而使执行机构以一定精度达到设定位置。下图为机械手系统工作原理框图：图1-2机械手系统工作原理框图第二章 伸缩臂设计方案2.1 设计方案论证以及拟定2.1.1 设计参数及规定1、伸缩长度：300mm；2、单方向伸缩时间：1.52.5s；3、定位误差：要有定位办法，定位误差不大于2mm；4、前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击。2.1.2 设计方案比较论证依照设计参数及规定，选取齿轮、滚珠丝杠来实现工业机械手伸缩臂伸缩运动，构造简朴，易于控制，更经济实用。2.2 机械手伸缩臂总体构造设计方案通过本人重复思考及论证，先做出运动简图。现如下图2-1所示，该机构中支座安装在机器人床身上，用于安装滚珠丝杠和伸缩杆等零件。由步进电动机（1）驱动，带动一级齿轮减速器（2）。通过减速器输出轴与丝杠（3）相连，以电机为动力驱动滚珠丝杠转动，通过丝母直线运动，推动导向杆运动，运用电机正反转动实现伸缩换向。法兰用于安装机械手，构成如图所示构造：图2-1 步进电机伸缩机构示意图2.3 执行装置设计方案2.3.1 滚珠丝杠选取2.3.1.1滚珠丝杠副选取：（1）由题可知：伸缩长度S为300毫米，伸缩时间t为2秒 ，因此速度,初选螺距P=10mm （ 2.1 ） 则： （ 2.2 ）（2）计算载荷： （ 为载荷系数，为硬度系数，为精度系数）由题中条件，取 ，取 取D级精度，取 丝杠最大工作载荷 ：导向杆所受摩擦力即丝杠最大工作载荷： max=F=120N （ 2.3 ）则： （3）计算额定动载荷值： （ 2.4 ） 因此 （4）依照选取滚珠丝杠副：按滚珠丝杠副额定动载荷等于或稍不不大于原则，选用汉江机床厂FC1型滚珠丝杠 ：表2-1汉江机床厂FC1型滚珠丝杠丝杠代号丝杠尺寸/mm螺旋角滚珠直径米制/mm螺母安装尺寸/mm额定载荷中径大径导程动载静载dpDEMLQh4006-34039.583.9695011875156448M691592137969825 FC1-5006-3， FC1-5-2.5 考虑各种因素选用FC1-5006-3。由表2-9得丝杠副数据：公称直径 导程p=8mm 螺旋角 滚珠直径 按表2-1中尺寸计算：滚道半径 （ 2.5 ）偏心距 （2.6）丝杠内径 （ 2.7 ）（5）稳定性验算由于一端轴向固定长丝杠在工作时也许发生失稳，因此在设计时应验算其安全系数S，其值应不不大于丝杠副传动构造容许安全系数S（见表2-10）。丝杠不会发生失稳最大载荷,称为临界载荷（N）按下式计算： （ 2.8 ）式中E为丝杠材料弹性模量，对于钢，E=206Mpa；l 为丝杠工作长度（m）L=450mm；为丝杠危险截面惯性矩；u为长度系数，见表2-10。依题意： （ 2.9 ）取， 则 （ 2.10 ）安全系数。查表2-10，S=34，SS，丝杠是安全，不会失稳。（6）刚度验算 :滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩T（Nm）共同作用下引起每个导程变形量： （ 2.11 ）其中 A丝杠截面积 丝杠极惯性矩 G丝杠切变模量，对于钢 T转矩 式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数，为工作载荷，取摩擦系数，则=840 则T= （ 2.12 ）按最不利状况取（其中F=） （ 2.13 ）则 ：丝杠在工作长度上弹性变形引起导程误差为： （ 2.14 ）普通规定丝杠导程误差应不大于其传动精度（）1/2，即 （ 2.15 ）该丝杠满足上式，因此其刚度可满足规定。（7）效率验算： 滚珠丝杠副传动效率 为 （ 2.16 ）规定在90%95%之间，因此该丝杠副合格。经上述计算：FC1-5006-3 各项性能均符合题目规定，可选用。 2.3.1.2 滚珠丝杠螺距选取：P=8mm 2.3.1.3 滚珠丝杠有效长度：依照构造设计拟定，要保证有300mm伸缩长度，先对丝杠螺母进行选取。丝杠螺母选用外循环螺旋槽式：滚珠螺母可得到其构造尺寸总长为L=61mm。依照其传动特点，要保证螺母不脱离滚珠丝杠，又要有300mm移动距离，则丝杠有效传动长度为L=430mm。 2.3.1.4 滚珠丝杠安装构造： 采用双推简支式安装，一端安装支推轴承与深沟球轴承组合，另一端安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，合用于中速传动精度较高长丝杠传动系统。由此可知：丝杠转速：Pn=L/2 因此 （ 2.17 ）2.3.1.5 丝杠安装轴承选取由于滚珠丝杠副支承形式采用是一端固定一端游动（F-S），而又避免丝杠受压，因此丝杠固定端（承重端）为左端，右端为游动端。因而为了满足使用规定，左端轴承选用双向推力球轴承与深沟球轴承组合形式。推力轴承特点是只能承受单向轴向载荷。为了限制左端径向位移，同步又要限制向右轴向位移，故选用角接触球轴承。此类轴承特点是能同步承受径向轴向联合载荷。1)双向推力球轴承选取2)初步选定为 51000型 代号为51306 d =30mm D =60mm T =21mm 3)校核基本额定载荷通过所规定轴承寿命（等于丝杠寿命）算基本额定载荷在实际工程计算中，轴承寿命惯用小时表达 （ 2.18 ） =2338N （ 2.19 ）其中， C基本额定动载荷（N ） P当量动载荷（N ） 寿命指数 球轴承 n轴承转速（r/min）在使用寿命为15000小时规定下，双向推力球轴承应承受基本额定动载荷为2338N 。初步选用轴承额定载荷=27KN ，即C 因此满足使用规定。此类单向推力球轴承数据如下表:表2-2球轴承基本尺寸安装尺寸基本额定载荷极限转速重量轴承代号d D T min max max 脂油W51000型mmmmKNr/minkg30 60 2057 53 0.636.2 66.83200 45000.14513064)深沟球轴承选取选用轴承型号为6007c（），详细数据见下表:表2-3深沟球轴承基本尺寸安装尺寸基本额定载荷极限转速重量轴承代号d D BA 脂油W70000C型mmMmKNr/minkg45 75 1616 51 69 125.8 20.57500 100000.287009C5)深沟球轴承选取：下端轴承只起游动和限制径向位移作用，因此采用深沟球轴承。选取60000型，详细数据见下表: 表2-4球轴承数据基本尺寸安装尺寸基本额定载荷极限转速重量轴承代号d D B min max max 脂油W60000型mmmmKNr/minkg30 42 732.4 39.6 0.34.00 3.151 160000.026618062.3.2减速齿轮关于计算 2.3.2.1 选定齿轮类型、精度级别、材料及齿数：（1）拟定传动比 i=1.25 故本次设计采用一级减速（2）按照工作规定，本次设计齿轮传动采用直齿圆柱齿轮开式传动。轮齿重要失效形式为齿面磨损，故本次设计采用硬齿面。（3）选取齿轮材料及拟定许用应力：由表10-1选小齿轮材料为40MnB（调质）、硬度260HBS；大齿轮材料35SiMn（调质）、硬度230HB，制造精度系数为8级。（4）预计丝杆功率:摩擦功率 P摩=QV/60000f 式中： Q摩擦力（N），Q=Fmax=120N； V直线传动中速度（m/min）；V=9m/min； （ 2.20 ） f直线传动机械效率f=螺母*导向杆=92%*75%=69%;故P摩=0.028KW （ 2.21 ）参照卧式车床Pf=（0.030.04）Pi，故取P摩=0.04P快 故P快=0.028KW/0.04=0.7KW故P丝杆=P快*齿轮=0.7KW*0.95=0.67KW(5) 选小齿轮齿数大齿轮齿数。2.3.2.2按齿面接触强度设计由设计计算公式（10-9a）进行计算，即 （ 2.22 ）拟定公式内各计算值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递转矩 =0.67/1125=Nmm （ 2.23 ）（3）由表10-7选用齿宽系数（4）由表10-6查得材料弹性模量（5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮接触疲劳大齿轮接触疲劳强度极限；（6）由式10-13计算应力循环次数： （ 2.24 ）（7）由图10-19查得接触疲劳寿命系数（8）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得 （ 2.25 ）1）计算：计算小齿轮分度圆直径，代入中较小值 （ 2.26 ）2）计算圆周速度v （ 2.27 ）3）计算齿宽b： （ 2.28 ）4）计算齿宽与齿高之比b/h 模数 （ 2.29 ） 齿高 h=2.252.46mm=5.53mm b/h=49.132/5.53=8.89 （ 2.30 ）5）计算载荷系数依照，8级精度，由图10-8查得动载系数直齿轮，假设。由表10-3查得；由表10-3查得使用系数 ；由表10-4查得： （ 2.31 ）将数据代入 （ 2.32 ）由b/h=34.87/3.92=8.89 查图10-13得；故载荷系数： （ 2.33 ）6）按实际载荷系数校正所算得分度圆直径，由（10-10a）得 （ 2.34 ）7)计算模数m 取原则模数m=4 （ 2.35 ）2.3.2.3校核齿根弯曲疲劳强度:由式10-4得校核式为：1） 计算圆周力： （ 2.36 ）2） 齿形系数及应力校正系数：由表10-5得：3） 齿形系数 4） 应力校正系数 5） 计算弯曲疲劳许用应力 （ 2.37 ）（1）弯曲疲劳安全系数S=1.4（2）由图10-20c按齿面硬度查得小齿轮弯曲疲劳强度极限；大齿轮弯曲疲劳强度极限；（3）由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数；则： （ 2.38 ）6） 校核计算:（1）由前知载荷系数 则： （ 2.39 ）（2） 校核： 满足规定。 则： 取 （ 2.40 ） 因此 取 （ 2.41 ）2.3.2.4 几何尺寸计算1）分度圆直径： （ 2.42 ）2）中心距： （ 2.43 ）3）齿轮宽度： （ 2.44 ）取 4）齿顶圆直径： （ 2.45 ） （ 2.46 ）5）齿根圆直径： （ 2.47 ） （ 2.48 ）2.3.2.5 验算： （ 2.49 ）对照表11-2可知选用8级精度是合宜。2.3.3电动机选取依照设计任务书规定选用3相6拍步进电机。2.3.3.1拟定各旋转件角速度丝杆=1125r/min*2/60=117.75rad/s （ 2.50 ）2.3.3.2拟定各旋转件转动惯量：其中丝杆系效直径取为0.038m。 J丝杆=*78*10*0.04*0.43/32=0.8*10Kgm （ 2.51 ）2.3.3.3拟定直线传动件质量=m+m+m+m+m （ 2.52 ）其中：m夹持器=20Kg，m导向杆=11Kg 取=50Kg2.3.3.4转化到电机轴上当量转动惯量J= （Kgm） （ 2.53 ） 式中： Wk各旋转件角速度；（rad/s ）,Jk各旋转件转动惯量； （Kgm）,mi各直线运动件质量；（Kg），V-直线运动件速度；（m/s）,W-电机角速度；（rad/s）故J= J丝杆+=0.8*10*+30*=17.7*10 （ 2.54 ）2.3.3.5拟定克服惯性量所需电机上扭矩： =J（NM） （ 2.55 ） 式中： J电机轴上当量转动惯量（Kgm）；W电机角速度（rad/s）； t-时间，取t=0.27； 故M惯=1*10*=0.785NM2.3.3.6拟定负载扭矩： （ 2.56 ）因此 最大静转矩 （ 2.57 ） 2.3.3.7选取电机由最大静转矩，查机械设计手册 选90BF004所选电机技术数据如下：表2-5电机技术数据规格步距角（）相数最大静转矩（Nm）最高空载启动频率步/s运营频率步/s电压V电流A90BF0040.753215008000126表2-6电机外形尺寸外径长度轴径重量11018193第三章 PLC控制系统设计3.1 PLC构成及工作原理可编程控制器（简称PLC）虽然外观各异，但是硬件构造大体相似。重要由中央解决器（CPU）、储存器（RAM、ROM）、输入输出器件（I/O接口）电源及编程设备几大某些构成。PLC是在工业环境中使用数字操作电子系统。它使用可编程存储器储存顾客设计程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺序操作、定期、计数及算术运算和通过数字或模仿出入/输出来控制各种机电一体化系统。由于它具备程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低，特别是易于编程、使用操作以便、便于维修、价格便宜等特点，具备广泛应用前景。PLC实质上是一台面向顾客专业数字控制计算机。图3-1为PLC硬件构造框图，PLC通过输入/输出接口与被控对象工作机相连接。控制系统详细规定，通过编程器预先把程序写入到储存器中，然后执行程序，完毕控制任务。当系统或被控对象变化时，只需相应变化输入/输出接口与被控对象连线，重新编程，即可形成一种新控制系统。图3-1 PLC硬件构造框图3.2 选取PLC本次设计选取PLC定为F1-40系列。(1)I/O点数估算依照分析成果，进行记录估算，F1-40系列选取主机I/O点数为24/16。(2)容量计算内存容量指是顾客程序容量。最大I/O点数为120，普通指令条数为I/O点数10-12倍左右，PLC容量不得不大于此规定。(3)其他PLC除了主控模块外，还可以配接各种功能模块。本次设计选取增长位置控制模块、速度控制模块。这些模块可实现特殊功能。3.3 PLC外部I/O分派图依照所选PLCF1-40系列内部元件及输入输出有关元件、设备，编制出I/O分派3-2所示如下：:图3-2 PLC接线图3.4 软件设计依照任务书规定，可以采用移位寄存指令或步进指令进行系统软件设计，整个控制系统设计应采用模块化设计。（1） 模块化设计公共程序模块，手动程序模块，自动程序模块，远位模块。公共程序模块涉及主电路、油泵等控制，状态初始化，状态转换启动，状态转换停止，事故报警保护等程序。程序总框图如图3-3所示：图3-3程序总框图公共程序某些是对整个程序进行控制某些，对机器运营控制起着重要作用。公共程序梯形图如图3-4所示： 图3-4 公共程序表3-1公共程序指令表步序指令步序指令步序指令0LD X4008S S60016OUT Y5351OR M1009LD X40217OUT M1012ANI X40210OR M10118LD M1013OUT Y53311ANI M10019ANI M1004OUT Y53412ANI X40320S S6015OUT M10013ANI M10321ANI X5026LD X40414ANI M10422OUT M767AND M10015ANI M71手动程序采用电动方式，应能完毕所有自动程序所完毕动作。手动程序某些如图3-5所示：图3-5 手动程序表3-2 手动程序指令表步序指令步序指令步序指令0LD X41614ANB28ANB1ANI X41515OUT Y43229OUT Y4352ANI X40516LD X42130LD X4173ANI X50617ANI X42231ANI X4204LD X40718ANI X41432ANI X4075OR X41119LD X40733AND X5066ANB20OR X41134OUT Y4337OUT Y43021ANB35LD X44208LD X41522OUT Y43136ANI X4179ANI X41623LD X42237ANI X41110ANI X40424ANI X42138AND X50611ANI X50625ANI T54039OUT Y43612LD X40726LD X40713OR X41127OR X411自动程序应涉及持续过程，单周过程，画出状态转移图。自动程序某些如图3-6所示： 图3-6 自动程序表3-3 自动程序指令表步序指令步序指令步序指令步序指令步序指令0STL S60144AND Y53288OUT Y531132STL S633176STL S6441OUT Y43045S S61389OUT Y530133OUT Y532177OUT Y5302AND X40546STL S61390AND Y531134AND Y532178AND Y5303S S60247OUT Y53291AND Y530135S S634179S S6454STL S60248AND Y53292S S623136STL S634135S S6345OUT Y43149S S61493STL S623137OUT Y532136STL S6346AND X41450STL S61494OUT Y530138OUT Y530137OUT Y5327S S60351OUT Y53295AND Y530139MPS 138OUT Y5308STL S60352OUT Y53096S S624140AND Y530139MPS 9OUT Y43253MPS 97STL S624141AND X412140AND Y53010AND X40454AND Y53098OUT Y530142S S630141AND X41211S S60455AND Y41299OUT Y532143MPP142S S63012STL S60456S S607100OUT Y440144ANI X412143MPP13OUT Y43357MPP101MPS 145S S635144ANI X41214AND X40658ANI X412102AND Y532146STL S636145S S63515S S60559S S615103AND Y413147OUT Y431146STL S63616STL S60560STL S615104S S617148R Y534147OUT Y43117OUT Y43361AND X503105MPP149AND X414148R Y53418OUT Y43462OUT Y435106ANI X413150S S637149AND X41419AND X40763OUT T450107S S625151STL S637150S S63720S S60664SP K3108STL S625152OUT Y441151STL S63721STL S60665AND T450109AND X504153AND Y441152OUT Y44122OUT Y53666S S616110S S626154S S640153AND Y44123AND Y53667STL S616111STL S626155STL S640154S S64024S S60768OUT Y441112OUT Y536156AND X413155STL S64025STL S60769S Y437113AND Y536157OUT Y532156AND X41326AND X41270AND Y441114S S627158AND Y532157OUT Y53227OUT Y53071S 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操作面板总结本次设计是对机电一体化课程所学一种综合考察。我觉得作为一名机械设计制造专业学生，在机械设计方面有了更大进步。在这一段时间里，通过网上查找资料，翻阅设计手册等有关专业书籍，使我理解到诸多机械手有关知识。熟悉了机械手设计过程环节，通过机械手构造设计、注意事项等，巩固了机械设计方面知识。通过这次毕业设计，使我对继电器、控制器、PLC、液压系统有了进一步理解。课堂上知识为本次课程设计提供了对的理论指引，而实践中遇到问题又进一步加深和巩固了咱们知识，不但对机器控制系统工作原理和特点有了进一步结识，并且对各类元器件作用及选用也进行了仔细研究。这次毕业设计让我有一次复习了此前内容并运用它做出了自己东西，让我对机电控制技术产生了浓厚兴趣。在本次设计中，更多是对机械CAD软件使用，这使我能更加纯熟运用CAD画图，并且还纯熟掌握了某些惯用软件应用，例如PRO/E，OFFICE等。课程设计是对所学专业知识一种检查和运用过程，通过本次课程设计，让我深切体会到作为一名机械设计人员必要面对各种困难，同步也让我看到了自身局限性，更清晰了迈进方向。本设计中局限性是，只是对机械手构造和控制系统进行了设计，但是还不可以投入生产，如果要设计一种合格实际使用商品话，还要做市场调查，考虑成本，工作环境，优化设计等，因此，我觉得当前做还不够，可以说是差诸多，因此要作为一名真正设计人员，还要更加努力！参 考 文 献1 廖常初.PLC应用技术问答.第1版.北京:机械工业出版社，2 濮良贵.级明